JPH1050727A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH1050727A
JPH1050727A JP20396796A JP20396796A JPH1050727A JP H1050727 A JPH1050727 A JP H1050727A JP 20396796 A JP20396796 A JP 20396796A JP 20396796 A JP20396796 A JP 20396796A JP H1050727 A JPH1050727 A JP H1050727A
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JP
Japan
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layer
gate
source
threshold control
carrier supply
Prior art date
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Application number
JP20396796A
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Japanese (ja)
Inventor
Masashi Shima
昌司 島
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a normally off type FET having a reduced parasitic resistance, low gate leakage current or improved gate withstand voltage by providing a one-conductivity type carrier feed layer and a reverse-conductivity type threshold control layer partly formed beneath a gate electrode. SOLUTION: A one-conductivity type carrier feed layer 22, channel layer 23 having a higher electron affinity than that of the layer 22 and gate barrier layer 24 having a lower electron affinity than that of the layer 23 are formed on a semi-insulative substrate 21. A reverse-conductivity type threshold control layer 25a is partly formed on the gate barrier layer 24 and gate electrode 26 is formed on the layer 25a. Source/drain regions 28a, 28b are formed at both sides of the layer 25a with spacings from the ends of this layer 25a. Source/drain electrodes 29a, 29b are formed on the regions 28a, 28b.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、より詳しくは、キャリア供給層を有する電界効果ト
ランジスタに関する。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a field effect transistor having a carrier supply layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、低消費電力で、高速動作する半導
体素子が必要とされている。そのためには、寄生抵抗を
増大させることなく、素子のゲート耐圧を高め、閾値電
圧を制御することより、消費電力を小さくし、駆動電流
を高めることが必要である。例えば、従来例の、チャネ
ル層下にキャリア供給層を設けた構造のn型電界効果ト
ランジスタ(n型FET)を図8(a)に示す。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been a demand for a semiconductor device which operates at high speed with low power consumption. For this purpose, it is necessary to increase the gate breakdown voltage of the element and control the threshold voltage without increasing the parasitic resistance, thereby reducing the power consumption and increasing the driving current. For example, FIG. 8A shows a conventional example of an n-type field-effect transistor (n-type FET) having a structure in which a carrier supply layer is provided below a channel layer.

【0003】図8(a)に示すように、半絶縁性基板1
上にn型導電型のキャリア供給層2と、キャリア供給層
2よりも電子親和力の大きいノンドープのチャネル層3
と、チャネル層3よりも電子親和力の小さいノンドープ
のゲートバリア層4とをこの順に堆積する。そして、ゲ
ートバリア層4上に部分的にゲート電極6を形成し、更
に、ゲート電極6の両側であってゲート電極6と接触し
ないようにゲート電極6の端部から間隔をおいてゲート
バリア層4表面から半絶縁性基板1に達するソース/ド
レイン領域5a,5bを形成する。そして、それらのソ
ース/ドレイン領域5a,5b上にソース/ドレイン電
極7a,7bを形成する。
As shown in FIG. 8A, a semi-insulating substrate 1
An n-type conductivity type carrier supply layer 2 and a non-doped channel layer 3 having a higher electron affinity than the carrier supply layer 2 are formed thereon.
And a non-doped gate barrier layer 4 having a smaller electron affinity than the channel layer 3 are deposited in this order. Then, the gate electrode 6 is partially formed on the gate barrier layer 4, and further on both sides of the gate electrode 6 so as not to be in contact with the gate electrode 6, at an interval from the end of the gate electrode 6. Source / drain regions 5a and 5b reaching the semi-insulating substrate 1 from the four surfaces are formed. Then, source / drain electrodes 7a, 7b are formed on the source / drain regions 5a, 5b.

【0004】図8(b),(c)はそれぞれ図8(a)
のI−I線断面、及びII-II 線断面におけるエネルギバ
ンド図を示す。実線はゲート電圧(VG )を印加してい
ない場合を示し、点線はゲート電圧(VG )を印加して
いる場合を示す。このFETでは、キャリア供給層2の
n型不純物濃度を調整して閾値を制御している。
FIGS. 8B and 8C show FIGS. 8A and 8B, respectively.
FIG. 2 shows an energy band diagram in a section taken along line II and a section taken along line II-II. The solid line indicates the case where no gate voltage is applied (V G), the dotted line shows the case the application of the gate voltage (V G). In this FET, the threshold value is controlled by adjusting the n-type impurity concentration of the carrier supply layer 2.

【0005】また、図9(a)は他の従来例のn型FE
Tである。図9(a)に示すように、半絶縁性基板11
上にノンドープのチャネル層12と、チャネル層12よ
りも電子親和力の小さいゲートバリア層13と、p型或
いはn型導電型の閾値制御層14をこの順に堆積する。
ゲート電極16を部分的に形成した後、ゲート電極16
をマスクとして自己整合的に閾値制御層14をエッチン
グしてゲート電極16の下に残す。
FIG. 9A shows another conventional n-type FE.
T. As shown in FIG. 9A, the semi-insulating substrate 11
A non-doped channel layer 12, a gate barrier layer 13 having a smaller electron affinity than the channel layer 12, and a p-type or n-type conductivity type threshold control layer 14 are deposited in this order.
After partially forming the gate electrode 16, the gate electrode 16
Using the mask as a mask, the threshold control layer 14 is etched in a self-aligned manner and is left under the gate electrode 16.

【0006】更に、閾値制御層14の両側であって閾値
制御層14と接触しないように閾値制御層14の端部か
ら間隔をおいてゲートバリア層13表面から半絶縁性基
板11に達するn型のソース/ドレイン領域15a,1
5bを形成する。そして、それらのソース/ドレイン領
域15a,15b上にソース/ドレイン電極17a,1
7bを形成する。
Further, an n-type semiconductor which reaches the semi-insulating substrate 11 from the surface of the gate barrier layer 13 at a distance from an end of the threshold control layer 14 so as not to contact the threshold control layer 14 on both sides of the threshold control layer 14. Source / drain regions 15a, 1
5b is formed. Then, source / drain electrodes 17a, 1a are formed on the source / drain regions 15a, 15b.
7b is formed.

【0007】図9(b),(c)はそれぞれ図9(a)
のI−I線断面、及びII-II 線断面におけるエネルギバ
ンド図を示す。実線はゲート電圧(VG )を印加してい
ない場合を示し、点線はゲート電圧(VG )を印加して
いる場合を示す。このFETでは、閾値制御層14がp
型導電型の場合ノーマリオフ型になり、n型導電型の場
合ノーマリオン型になる。また、閾値制御層14の不純
物濃度を調整して閾値電圧を微調整している。なお、p
型FETの場合には上記と逆になる。
FIGS. 9B and 9C respectively show FIG. 9A
FIG. 2 shows an energy band diagram in a section taken along line II and a section taken along line II-II. The solid line indicates the case where no gate voltage is applied (V G), the dotted line shows the case the application of the gate voltage (V G). In this FET, the threshold control layer 14 has p
In the case of the type conductivity type, it becomes a normally-off type, and in the case of the n-type conductivity type, it becomes a normally-on type. Further, the threshold voltage is finely adjusted by adjusting the impurity concentration of the threshold control layer 14. Note that p
In the case of a type FET, the above is reversed.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】相補型電界効果トラン
ジスタに用いるFETでは消費電力を小さくするため、
ノーマリオフ型のFETが必要となる。しかし、上記の
図8(a)に示すFETでは、閾値電圧をノーマリオフ
にするために導電型不純物濃度を小さくすると、ゲート
電極6とソース/ドレイン領域5a,5bとの間の部分
のチャネル層3のキャリアが少なくなるため、寄生抵抗
が増大し、FETに流すことが可能な電流が低下する。
In order to reduce power consumption in an FET used for a complementary field effect transistor,
A normally-off type FET is required. However, in the FET shown in FIG. 8A, when the conductivity type impurity concentration is reduced in order to make the threshold voltage normally off, the channel layer 3 in the portion between the gate electrode 6 and the source / drain regions 5a and 5b is reduced. , The parasitic resistance increases, and the current that can flow through the FET decreases.

【0009】また、寄生抵抗が増大しないように、ソー
ス/ドレイン領域5a,5bがゲート電極6に接触する
ようにすると、ゲートリーク電流が増大し、消費電力が
増大してしまう。更に、図9(a)に示すFETでは、
ノーマリオフ型の場合、図8(a)の場合と同様に、ソ
ース/ドレイン領域15a,15bをゲート電極16に
接触させるか、重なるように形成しないと、FETの寄
生抵抗が大きくなり、FETは動作しなくなる。逆に、
ソース/ドレイン領域15a,15bをゲート電極16
に接触させるか、重なるように形成した場合、ゲート耐
圧が小さくなってしまう。
If the source / drain regions 5a and 5b are brought into contact with the gate electrode 6 so that the parasitic resistance does not increase, the gate leakage current increases and the power consumption increases. Further, in the FET shown in FIG.
In the case of the normally-off type, as in the case of FIG. 8A, unless the source / drain regions 15a and 15b are brought into contact with or overlapped with the gate electrode 16, the parasitic resistance of the FET increases, and the FET operates. No longer. vice versa,
The source / drain regions 15a, 15b are
If they are formed so as to be in contact with or overlap with each other, the gate breakdown voltage will be reduced.

【0010】従って、図8(a),図9(a)のいずれ
の場合も、高速かつ低消費電力動作が要求されるノーマ
リオフ型のFETに適さない。本発明は、上記の従来例
の問題点に鑑みて創作されたものであり、寄生抵抗を低
減し、かつゲートリーク電流を小さく、或いはゲート耐
圧を向上させることができるノーマリオフ型のFETを
提供するものである。
Therefore, any of the cases shown in FIGS. 8A and 9A is not suitable for a normally-off type FET which requires a high-speed operation with low power consumption. The present invention has been made in view of the above-described problems of the conventional example, and provides a normally-off type FET that can reduce parasitic resistance, reduce gate leakage current, or improve gate breakdown voltage. Things.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記課題は、第1の発明
である、半絶縁性基板上の一導電型のキャリア供給層
と、前記キャリア供給層上に形成された、前記キャリア
供給層より電子親和力の大きいチャネル層と、前記チャ
ネル層上に形成された、前記チャネル層より電子親和力
の小さいゲートバリア層と、前記ゲートバリア層上に部
分的に形成された反対導電型の閾値制御層と、前記閾値
制御層上のゲート電極と、前記閾値制御層の両側であっ
て、前記閾値制御層の端部から間隔をおいて、かつ前記
ゲートバリア層表面から前記チャネル層に達するように
形成されたソース/ドレイン領域と、前記ソース/ドレ
イン領域上に形成されたソース/ドレイン電極とを有す
ることを特徴とする半導体装置によって解決され、第2
の発明である、半絶縁性基板上のチャネル層と、前記チ
ャネル層上に形成された、前記チャネル層より電子親和
力の小さい一導電型のキャリア供給層と、前記キャリア
供給層上に形成された、前記キャリア供給層より電子親
和力の小さいゲートバリア層と、前記ゲートバリア層上
に部分的に形成された反対導電型の閾値制御層と、前記
閾値制御層上のゲート電極と、前記閾値制御層の両側で
あって、前記閾値制御層の端部から間隔をおいて、かつ
前記ゲートバリア層表面から前記チャネル層に達するよ
うに形成されたソース/ドレイン領域と、前記ソース/
ドレイン領域上に形成されたソース/ドレイン電極とを
有することを特徴とする半導体装置によって解決され、
第3の発明である、半絶縁性基板上のチャネル層と、前
記チャネル層上に形成された、前記チャネル層より電子
親和力の小さい一導電型のキャリア供給層と、前記キャ
リア供給層上に部分的に形成された、前記キャリア供給
層より電子親和力の小さいゲートバリア層と、前記ゲー
トバリア層上に形成された反対導電型の閾値制御層と、
前記閾値制御層上に形成されたゲート電極と、前記ゲー
ト電極の両側であって、前記閾値制御層の端部から間隔
をおいて前記キャリア供給層上に形成されたソース/ド
レイン電極とを有することを特徴とする半導体装置によ
って解決され、第4の発明である、前記キャリア供給層
の不純物濃度及び前記閾値制御層の不純物濃度のうち少
なくともいずれかにより閾値電圧を制御することを特徴
とする第1乃至第3の発明のいずれかに記載の半導体装
置によって解決される。
The first object of the present invention is to provide a carrier supply layer of one conductivity type on a semi-insulating substrate and a carrier supply layer formed on the carrier supply layer. A channel layer having a high electron affinity, a gate barrier layer formed on the channel layer and having a lower electron affinity than the channel layer, and a threshold control layer of the opposite conductivity type partially formed on the gate barrier layer. A gate electrode on the threshold control layer, on both sides of the threshold control layer, spaced from an end of the threshold control layer, and formed so as to reach the channel layer from the surface of the gate barrier layer. And a source / drain region formed on the source / drain region and a source / drain electrode formed on the source / drain region.
A channel layer on a semi-insulating substrate, a carrier supply layer of one conductivity type formed on the channel layer and having a smaller electron affinity than the channel layer, and formed on the carrier supply layer. A gate barrier layer having a smaller electron affinity than the carrier supply layer, a threshold control layer of an opposite conductivity type partially formed on the gate barrier layer, a gate electrode on the threshold control layer, and the threshold control layer. And a source / drain region formed at an interval from an end of the threshold control layer and so as to reach the channel layer from the surface of the gate barrier layer;
And a source / drain electrode formed on the drain region.
A third invention, a channel layer on a semi-insulating substrate, a carrier supply layer of one conductivity type formed on the channel layer and having a smaller electron affinity than the channel layer, and a portion on the carrier supply layer Formed, a gate barrier layer having a smaller electron affinity than the carrier supply layer, an opposite conductivity type threshold control layer formed on the gate barrier layer,
A gate electrode formed on the threshold control layer; and source / drain electrodes formed on the carrier supply layer on both sides of the gate electrode and spaced from an end of the threshold control layer. A fourth aspect of the present invention, which is solved by a semiconductor device, wherein a threshold voltage is controlled by at least one of an impurity concentration of the carrier supply layer and an impurity concentration of the threshold control layer. The problem is solved by the semiconductor device according to any one of the first to third inventions.

【0012】本発明に係る半導体装置においては、一導
電型のキャリア供給層と、ゲート電極下に部分的に形成
された反対導電型の閾値制御層とを有している。従っ
て、ゲート電極下では反対導電型の閾値制御層により、
n型チャネルの場合伝導帯の底のエネルギレベル
(EC )がフェルミレベル(EF )よりも高くなって、
電子が空乏化するとともに、ゲート電極の周辺部のチャ
ネル層では伝導帯の底のエネルギレベル(EC )がフェ
ルミレベル(EF )よりも低くなってキャリア供給層か
ら供給された電子が蓄積する。また、p型チャネルの場
合も、n型チャネルの場合と同じように、価電子帯の頂
上のエネルギレベル(EV )がフェルミレベル(EF
よりも低くなって、ホールが空乏化するとともに、ゲー
ト電極の周辺部のチャネル層では価電子帯の頂上のエネ
ルギレベル(EV )がフェルミレベル(EF )よりも高
くなってキャリア供給層から供給されたホールが蓄積す
る。
The semiconductor device according to the present invention has a carrier supply layer of one conductivity type and a threshold control layer of the opposite conductivity type formed partially below the gate electrode. Therefore, under the gate electrode, by the threshold control layer of the opposite conductivity type,
For an n-type channel, the energy level at the bottom of the conduction band (E C ) is higher than the Fermi level (E F ),
As the electrons are depleted, the energy level (E C ) at the bottom of the conduction band becomes lower than the Fermi level (E F ) in the channel layer around the gate electrode, and the electrons supplied from the carrier supply layer accumulate. . Also, in the case of the p-type channel, the energy level (E V ) at the top of the valence band is the Fermi level (E F ) as in the case of the n-type channel.
, The holes are depleted, and the energy level (E V ) at the top of the valence band is higher than the Fermi level (E F ) in the channel layer around the gate electrode, so that the carrier supply layer The supplied holes accumulate.

【0013】これにより、第1及び第2の発明のソース
/ドレイン領域或いは第3の発明のソース/ドレイン電
極を、部分的に形成されたゲート電極、閾値制御層或い
はゲートバリア層の端部から離した場合でも、それらの
間の領域のチャネル層にはキャリアが蓄積することにな
る。従って、寄生抵抗を低減し、かつゲートリーク電流
を小さく、或いはゲート耐圧を向上させることができ
る。
Thus, the source / drain regions according to the first and second inventions or the source / drain electrodes according to the third invention can be moved from the end of the partially formed gate electrode, threshold control layer or gate barrier layer. Even when they are separated, carriers accumulate in the channel layer in the region between them. Therefore, the parasitic resistance can be reduced, the gate leak current can be reduced, or the gate withstand voltage can be improved.

【0014】一方、ゲート電極下のチャネル層ではキャ
リアが空乏化するので、ノーマリオフ型のFETを実現
できる。
On the other hand, since carriers are depleted in the channel layer below the gate electrode, a normally-off type FET can be realized.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。 (第1の実施の形態)図1(a)〜(d)、図2
(a),(b)は、本発明の第1の実施の形態に係るF
ETの製造方法について示す断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIGS. 1 (a) to 1 (d), 2
(A) and (b) show F according to the first embodiment of the present invention.
It is sectional drawing shown about the manufacturing method of ET.

【0016】まず、図1(a)に示すように、GaAs
からなる半絶縁性基板21上に、分子線エピタキシ(M
BE)法により、n型不純物Siを5×1018cm-3
度含む膜厚約2nmのGaAs膜からなるキャリア供給
層22と、キャリア供給層22よりも電子親和力が大き
い膜厚約10nmのノンドープのInx Ga1-x As膜(x=
0.2)からなるチャネル層23と、チャネル層23よ
りも電子親和力が小さい膜厚約20nmのノンドープの
Aly Ga1-y As膜(y=0.3)からなるゲートバリア層
24と、p型不純物Cを3×1018cm-3含む膜厚約2
0nmのGaAs膜からなる閾値制御層25とをこの順
に堆積する。基板21及び各層22〜25の電子親和力
χeB,χeca ,χech ,χeGB ,χeSC の関係を図3に
示す。ここで、Ecは伝導帯の底のエネルギ、Evは価
電子帯の頂上のエネルギ、EF はフェルミエネルギを示
す。
First, as shown in FIG.
The molecular beam epitaxy (M
A carrier supply layer 22 of about 2 nm in thickness containing about 5 × 10 18 cm −3 of n-type impurity Si and a non-doped layer of about 10 nm in thickness having a higher electron affinity than the carrier supply layer 22 by the BE) method. In x Ga 1-x As film (x =
0.2) and a non-doped layer having a thickness of about 20 nm and having a smaller electron affinity than the channel layer 23.
A gate barrier layer 24 made of an Al y Ga 1-y As film (y = 0.3) and a film thickness of about 2 including 3 × 10 18 cm −3 of p-type impurity C;
A threshold control layer 25 made of a 0 nm GaAs film is deposited in this order. Electron affinity chi eB substrate 21 and the layers 22~25, χ eca, χ ech, χ eGB, the relationship between the chi eSC shown in FIG. Here, Ec is the energy of the bottom of the conduction band, Ev is the top energy of the valence band, the E F shows the Fermi energy.

【0017】次いで、図1(b)に示すように、閾値制
御層25上にWSi膜を形成した後、パターニングし、
ゲート電極26を形成する。次に、図1(c)に示すよ
うに、ゲート電極26をマスクとして閾値制御層25を
エッチングし、ゲート電極26の下に閾値制御層25a
を残す。次いで、図1(d)に示すように、レジスト膜
をパターニングしてマスク27を形成し、ドーズ量1×
1015cm-2、加速電圧50keVで、マスク27に従
ってn型不純物Siをイオン注入する。イオン注入層2
8a,28bは、ゲート電極26の両側であってゲート
電極26と接触しないようにゲート電極26の端部から
間隔をおいて、かつゲートバリア層24表面から少なく
ともチャネル層23に達するように形成される。なお、
図1(d)の場合、半絶縁性基板21達するようにイオ
ン注入している。
Next, as shown in FIG. 1B, after forming a WSi film on the threshold control layer 25, it is patterned.
A gate electrode 26 is formed. Next, as shown in FIG. 1C, the threshold control layer 25 is etched using the gate electrode 26 as a mask, and the threshold control layer 25a is formed under the gate electrode 26.
Leave. Next, as shown in FIG. 1D, the resist film is patterned to form a mask 27, and a dose of 1 ×
The n-type impurity Si is ion-implanted according to the mask 27 at 10 15 cm -2 and an acceleration voltage of 50 keV. Ion implantation layer 2
8a and 28b are formed on both sides of the gate electrode 26, at a distance from the end of the gate electrode 26 so as not to contact the gate electrode 26, and so as to reach at least the channel layer 23 from the surface of the gate barrier layer 24. You. In addition,
In the case of FIG. 1D, ions are implanted so as to reach the semi-insulating substrate 21.

【0018】次に、図2(a)に示すように、温度80
0℃でアニールし、ゲートバリア層24表面から半絶縁
性基板21に達するソース/ドレイン領域28a,28
bを形成する。次いで、膜厚50nmのAuGe膜と膜
厚300nmのAu膜を堆積してパターニングし、ソー
ス/ドレイン領域28a,28b上にソース/ドレイン
電極29a,29bを形成する。
Next, as shown in FIG.
Annealed at 0 ° C., the source / drain regions 28 a and 28 reaching the semi-insulating substrate 21 from the surface of the gate barrier layer 24.
b is formed. Next, a 50 nm-thick AuGe film and a 300 nm-thick Au film are deposited and patterned to form source / drain electrodes 29a and 29b on the source / drain regions 28a and 28b.

【0019】以上のようにして形成されたFETは凡そ
−0.5Vの閾値電圧となる。エネルギバンド図を図4
(a),(b)に示す。図4(a)はIII-III 線断面を
示し、図4(b)はIV-IV 線断面を示す。図4(a),
(b)中、実線はゲート電圧(VG )を印加しない場合
を示し、点線はゲート電圧(VG )を印加した場合を示
す。
The FET formed as described above has a threshold voltage of about -0.5V. Fig. 4 shows the energy band diagram.
(A) and (b) show. FIG. 4A shows a cross section taken along line III-III, and FIG. 4B shows a cross section taken along line IV-IV. FIG. 4 (a),
In (b), the solid line shows the case where the gate voltage (V G ) is not applied, and the dotted line shows the case where the gate voltage (V G ) is applied.

【0020】ゲート電極26の下のチャネル層23で
は、図4(a)に示すように、閾値制御層25aが介在
することによりEcがEF よりも高く持ち上げられ、チ
ャネル層には電子が空乏化する。即ち、ゲート電圧(V
G )を印加しないときにノーマリオフの状態になってい
る。ゲート電圧(VG )を印加することにより、Ecが
F より低くなり、チャネル層23に電子が供給されて
ソース/ドレイン電極29a,29b間に電流が流れ
る。
[0020] In the channel layer 23 under the gate electrode 26, as shown in FIG. 4 (a), Ec is raised higher than E F by threshold control layer 25a is interposed, the channel layer is an electron depletion Become That is, the gate voltage (V
G ) is normally off when not applied. By applying the gate voltage (V G ), Ec becomes lower than E F , electrons are supplied to the channel layer 23, and current flows between the source / drain electrodes 29a and 29b.

【0021】また、ソース/ドレイン領域28a,28
bをゲート電極26の端部から離したときでもそれらの
間のチャネル層23では、図4(b)に示すように、ゲ
ート電圧を印加しないときにキャリア供給層22から供
給された電子が存在する。このため、FETの寄生抵抗
は低くなる。従って、第1の実施の形態のFETによれ
ば、寄生抵抗を低減し、かつゲートリーク電流を小さ
く、或いはゲート耐圧を向上させることができる。
The source / drain regions 28a, 28
Even when b is separated from the end of the gate electrode 26, electrons supplied from the carrier supply layer 22 when no gate voltage is applied exist in the channel layer 23 between them, as shown in FIG. I do. For this reason, the parasitic resistance of the FET decreases. Therefore, according to the FET of the first embodiment, the parasitic resistance can be reduced, the gate leak current can be reduced, or the gate breakdown voltage can be improved.

【0022】なお、第1の実施の形態ではチャネル層2
3のInx Ga1-x As膜の組成xを0.2とし、ゲートバリ
ア層24のAly Ga1-y As膜の組成yを0.3としている
が、電子親和力χech ,χeGB や閾値電圧等を考慮して
適宜変えてもよい。また、閾値電圧等を調整するため、
キャリア供給層22や閾値制御層25aの不純物濃度を
適宜変えることが可能である。
In the first embodiment, the channel layer 2
3 of In x Ga 1-x As layer of the composition x of 0.2, but the composition y of Al y Ga 1-y As layer of the gate barrier layer 24 is set to 0.3, the electron affinity chi ech, chi EGB It may be changed appropriately in consideration of the threshold voltage and the like. Also, in order to adjust the threshold voltage, etc.,
It is possible to appropriately change the impurity concentration of the carrier supply layer 22 and the threshold control layer 25a.

【0023】更に、第1の実施の形態ではnチャネルF
ETに適用しているが、pチャネルFETに適用するこ
とも可能である。キャリア供給層22、閾値制御層25
a及びソース/ドレイン領域28a,28bそれぞれの
導電型を逆にすることで、nチャネルFETと同じよう
に、寄生抵抗を低減し、かつゲートリーク電流を小さ
く、或いはゲート耐圧を向上させることができる。この
場合、エネルギバンド図は図5(a),(b)に示すよ
うになる。図5(a)はゲート電極下のものであり、図
5(b)はソース/ドレイン領域とゲート電極の間の領
域のものである。
Further, in the first embodiment, the n-channel F
Although applied to ET, it is also possible to apply to p-channel FET. Carrier supply layer 22, threshold control layer 25
By reversing the conductivity types of the a and the source / drain regions 28a and 28b, the parasitic resistance can be reduced, the gate leakage current can be reduced, or the gate breakdown voltage can be improved, as in the n-channel FET. . In this case, the energy band diagrams are as shown in FIGS. FIG. 5A shows an area under the gate electrode, and FIG. 5B shows an area between the source / drain region and the gate electrode.

【0024】(第2の実施の形態)図6は第2の実施の
形態に係るFETについて示す断面図である。第2の実
施の形態に係るFETにおいて、第1の実施の形態と異
なるところは、n型のキャリア供給層33がチャネル層
32とゲートバリア層34の間に介在していることであ
る。
(Second Embodiment) FIG. 6 is a sectional view showing an FET according to a second embodiment. The FET according to the second embodiment differs from the first embodiment in that an n-type carrier supply layer 33 is interposed between a channel layer 32 and a gate barrier layer 34.

【0025】なお、図6において、他の符号31はGa
Asからなる半絶縁性基板であり、35はゲート電極3
7の下に部分的に形成されたp型の閾値制御層である。
36a,36bはゲート電極37の両側であってゲート
電極37と接触しないようにゲート電極37の端部から
間隔をおいて、かつゲートバリア層24から半絶縁性基
板21に達するように形成されたn型のソース/ドレイ
ン領域である。38a,38bはソース/ドレイン領域
36a,36b上に形成されたソース/ドレイン電極で
ある。
In FIG. 6, the other reference numeral 31 denotes Ga.
As a semi-insulating substrate made of As, 35 is a gate electrode 3
7 is a p-type threshold control layer partially formed underneath.
36a and 36b are formed on both sides of the gate electrode 37 so as to be spaced from the end of the gate electrode 37 so as not to contact the gate electrode 37 and to reach the semi-insulating substrate 21 from the gate barrier layer 24. These are n-type source / drain regions. 38a and 38b are source / drain electrodes formed on the source / drain regions 36a and 36b.

【0026】この場合にも、第1の実施の形態と同様
に、ゲート電極37の下のチャネル層32では、p型の
閾値制御層35が介在することによりEcがEF よりも
高く持ち上げられてチャネル層32の電子が空乏化する
ため、ゲート電圧(VG )を印加しないときにノーマリ
オフの状態になっている。ゲート電圧(VG )を印加し
たとき、EcがEF より低くなり、チャネル層32に電
子が供給されてソース/ドレイン電極38a,38b間
に電流が流れる。
[0026] Also in this case, as in the first embodiment, the channel layer 32 under the gate electrode 37, Ec is raised higher than E F by threshold control layer 35 of p-type is interposed As a result, the electrons in the channel layer 32 are depleted, so that they are normally off when the gate voltage (V G ) is not applied. When applying the gate voltage (V G), Ec is lower than E F, a current flows in the channel layer 32 is an electron supply source / drain electrodes 38a, between 38b.

【0027】また、ソース/ドレイン領域36a,36
bをゲート電極37の端部から離したときでもそれらの
間のチャネル層32では、ゲート電圧を印加しないとき
にn型のキャリア供給層33から供給された電子が存在
する。このため、FETの寄生抵抗は低くなる。従っ
て、第2の実施の形態のFETによれば、寄生抵抗を低
減し、かつゲートリーク電流を小さく、或いはゲート耐
圧を向上させることができる。
The source / drain regions 36a, 36
Even when b is separated from the end of the gate electrode 37, electrons supplied from the n-type carrier supply layer 33 exist in the channel layer 32 between them when no gate voltage is applied. For this reason, the parasitic resistance of the FET decreases. Therefore, according to the FET of the second embodiment, the parasitic resistance can be reduced, the gate leakage current can be reduced, or the gate withstand voltage can be improved.

【0028】(第3の実施の形態)図7は第3の実施の
形態に係るFETについて示す断面図である。
(Third Embodiment) FIG. 7 is a sectional view showing an FET according to a third embodiment.

【0029】第3の実施の形態に係るFETにおいて、
第2の実施の形態と異なるところは、ゲートバリア層4
4がゲート電極46の下のp型の閾値制御層45の下に
部分的に形成されていることである。また、n型のキャ
リア供給層43上に直接ソース/ドレイン電極47a,
47bが形成されてオーミックコンタクトがとられるた
め、ソース/ドレイン領域は形成されていない。なお、
図7において、他の符号41はGaAsからなる半絶縁
性基板であり、42は半絶縁性基板41上のチャネル層
である。
In the FET according to the third embodiment,
The difference from the second embodiment is that the gate barrier layer 4
4 is partially formed under the p-type threshold control layer 45 under the gate electrode 46. In addition, the source / drain electrodes 47a, 47a are directly formed on the n-type carrier supply layer 43.
No source / drain regions are formed because the ohmic contact is made by forming 47b. In addition,
In FIG. 7, reference numeral 41 denotes a semi-insulating substrate made of GaAs, and reference numeral 42 denotes a channel layer on the semi-insulating substrate 41.

【0030】この場合も、ソース/ドレイン電極47
a,47bをゲート電極46の端部から離したときで
も、第1及び第2の実施の形態と同じように、それらの
間のチャネル層42にキャリアが蓄積されるため、ゲー
トリーク電流を小さく、或いはゲート耐圧を向上させつ
つ、FETの寄生抵抗を低減することができる。なお、
第2〜第3の実施の形態ではnチャネルFETに適用し
ているが、pチャネルFETに適用することも可能であ
る。キャリア供給層33,43、閾値制御層35,45
及びソース/ドレイン領域36a,36bそれぞれの導
電型を逆にすることで、寄生抵抗を低減し、かつゲート
リーク電流を小さく、或いはゲート耐圧を向上させるこ
とができる。
Also in this case, the source / drain electrodes 47
Even when a and 47b are separated from the end of the gate electrode 46, carriers are accumulated in the channel layer 42 between them as in the first and second embodiments, so that the gate leakage current is reduced. Alternatively, the parasitic resistance of the FET can be reduced while improving the gate breakdown voltage. In addition,
In the second and third embodiments, the present invention is applied to an n-channel FET, but may be applied to a p-channel FET. Carrier supply layers 33 and 43, threshold control layers 35 and 45
By inverting the conductivity types of the source / drain regions 36a and 36b, the parasitic resistance can be reduced, the gate leak current can be reduced, or the gate breakdown voltage can be improved.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上のように、本発明に係る半導体装置
においては、一導電型のキャリア供給層と、ゲート電極
下に部分的に形成された反対導電型の閾値制御層とを有
している。従って、ゲート電極下のチャネル層ではキャ
リアが空乏化するとともに、ゲート電極の周辺部のチャ
ネル層ではキャリアが蓄積する。
As described above, the semiconductor device according to the present invention includes the carrier supply layer of one conductivity type and the threshold control layer of the opposite conductivity type partially formed under the gate electrode. I have. Accordingly, carriers are depleted in the channel layer below the gate electrode, and carriers are accumulated in the channel layer around the gate electrode.

【0032】これにより、ソース/ドレイン領域或いは
ソース/ドレイン電極を、部分的に形成されたゲート電
極、閾値制御層或いはゲートバリア層の端部から離した
場合でも、それらの間の領域のチャネル層にはキャリア
が蓄積することになる。従って、寄生抵抗を低減し、か
つゲートリーク電流を小さく、或いはゲート耐圧を向上
させることができる。一方、ゲート電極下のチャネル層
ではキャリアが空乏化するので、ノーマリオフ型のFE
Tを実現できる。
Thus, even when the source / drain region or the source / drain electrode is separated from the end of the partially formed gate electrode, threshold control layer or gate barrier layer, the channel layer in the region between them is formed. Will accumulate carriers. Therefore, the parasitic resistance can be reduced, the gate leak current can be reduced, or the gate withstand voltage can be improved. On the other hand, carriers are depleted in the channel layer below the gate electrode, so that a normally-off FE
T can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1(a)〜(d)は、本発明の第1の実施の
形態に係るn型FETの製造方法について示す断面図
(その1)である。
FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views (part 1) illustrating a method for manufacturing an n-type FET according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図2(a),(b)は、本発明の第1の実施の
形態に係るn型FETの製造方法について示す断面図
(その2)である。
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views (part 2) illustrating a method for manufacturing an n-type FET according to the first embodiment of the present invention.

【図3】図3は、本発明の第1の実施の形態に係るn型
FETを構成する各半導体層の電子親和力を示すエネル
ギバンドの模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of an energy band showing an electron affinity of each semiconductor layer included in the n-type FET according to the first embodiment of the present invention.

【図4】図4(a)は、本発明の第1の実施の形態に係
るn型FETにおけるゲート電極下の半導体層のエネル
ギバンド図であり、図4(b)は、ゲート電極とソース
/ドレイン領域の間の領域の半導体層のエネルギバンド
図である。
FIG. 4A is an energy band diagram of a semiconductor layer below a gate electrode in the n-type FET according to the first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 5 is an energy band diagram of a semiconductor layer in a region between a drain / drain region.

【図5】図5(a)は、本発明の第1の実施の形態に係
るp型FETにおけるゲート電極下の半導体層のエネル
ギバンド図であり、図5(b)は、ゲート電極とソース
/ドレイン領域の間の領域の半導体層のエネルギバンド
図である。
FIG. 5A is an energy band diagram of a semiconductor layer below a gate electrode in the p-type FET according to the first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 5 is an energy band diagram of a semiconductor layer in a region between a drain / drain region.

【図6】図6は、本発明の第2の実施の形態に係るn型
FETについて示す断面図である。
FIG. 6 is a sectional view showing an n-type FET according to a second embodiment of the present invention.

【図7】図7は、本発明の第3の実施の形態に係るn型
FETについて示す断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing an n-type FET according to a third embodiment of the present invention.

【図8】図8(a)は、従来例に係るn型FETについ
て示す断面図であり、図8(b),(c)はゲート電極
下、及びゲート電極とソース/ドレイン領域の間の領域
の半導体層のエネルギバンド図である。
FIG. 8A is a cross-sectional view showing an n-type FET according to a conventional example, and FIGS. 8B and 8C are diagrams below a gate electrode and between a gate electrode and a source / drain region. FIG. 3 is an energy band diagram of a semiconductor layer in a region.

【図9】図9(a)は、他の従来例に係るn型FETに
ついて示す断面図であり、図9(b),(c)はゲート
電極下、及びゲート電極とソース/ドレイン領域の間の
領域の半導体層のエネルギバンド図である。
FIG. 9A is a cross-sectional view showing an n-type FET according to another conventional example, and FIGS. 9B and 9C show a portion under a gate electrode and between a gate electrode and a source / drain region. It is an energy band figure of the semiconductor layer of the area | region between.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

21,31,41 半絶縁性基板、 22,33,43 キャリア供給層、 23,32,42 チャネル層、 24,34,44 ゲートバリア層、 25,25a,35,45 閾値制御層、 26,37,46 ゲート電極、 27 マスク、 28a,28b,36a,36b ソース/ドレイン領
域、 29a,29b,38a,38b,47a,47b ソ
ース/ドレイン電極。
21, 31, 41, semi-insulating substrate, 22, 33, 43 carrier supply layer, 23, 32, 42 channel layer, 24, 34, 44 gate barrier layer, 25, 25a, 35, 45 threshold control layer, 26, 37 , 46 gate electrode, 27 mask, 28a, 28b, 36a, 36b source / drain region, 29a, 29b, 38a, 38b, 47a, 47b source / drain electrode.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半絶縁性基板上の一導電型のキャリア供
給層と、 前記キャリア供給層上に形成された、前記キャリア供給
層より電子親和力の大きいチャネル層と、 前記チャネル層上に形成された、前記チャネル層より電
子親和力の小さいゲートバリア層と、 前記ゲートバリア層上に部分的に形成された反対導電型
の閾値制御層と、 前記閾値制御層上のゲート電極と、 前記閾値制御層の両側であって、前記閾値制御層の端部
から間隔をおいて、かつ前記ゲートバリア層表面から前
記チャネル層に達するように形成されたソース/ドレイ
ン領域と、 前記ソース/ドレイン領域上に形成されたソース/ドレ
イン電極とを有することを特徴とする半導体装置。
1. A carrier supply layer of one conductivity type on a semi-insulating substrate, a channel layer formed on the carrier supply layer and having a higher electron affinity than the carrier supply layer, and formed on the channel layer. A gate barrier layer having an electron affinity smaller than that of the channel layer; a threshold control layer of an opposite conductivity type partially formed on the gate barrier layer; a gate electrode on the threshold control layer; Source / drain regions formed on both sides of the source / drain region at intervals from an end of the threshold control layer and reaching the channel layer from the surface of the gate barrier layer; And a source / drain electrode.
【請求項2】 半絶縁性基板上のチャネル層と、 前記チャネル層上に形成された、前記チャネル層より電
子親和力の小さい一導電型のキャリア供給層と、 前記キャリア供給層上に形成された、前記キャリア供給
層より電子親和力の小さいゲートバリア層と、 前記ゲートバリア層上に部分的に形成された反対導電型
の閾値制御層と、 前記閾値制御層上のゲート電極と、 前記閾値制御層の両側であって、前記閾値制御層の端部
から間隔をおいて、かつ前記ゲートバリア層表面から前
記チャネル層に達するように形成されたソース/ドレイ
ン領域と、 前記ソース/ドレイン領域上に形成されたソース/ドレ
イン電極とを有することを特徴とする半導体装置。
2. A channel layer on a semi-insulating substrate; a carrier supply layer of one conductivity type formed on the channel layer and having a smaller electron affinity than the channel layer; and formed on the carrier supply layer. A gate barrier layer having a smaller electron affinity than the carrier supply layer; an opposite conductivity type threshold control layer partially formed on the gate barrier layer; a gate electrode on the threshold control layer; Source / drain regions formed on both sides of the source / drain region at intervals from an end of the threshold control layer and reaching the channel layer from the surface of the gate barrier layer; And a source / drain electrode.
【請求項3】 半絶縁性基板上のチャネル層と、 前記チャネル層上に形成された、前記チャネル層より電
子親和力の小さい一導電型のキャリア供給層と、 前記キャリア供給層上に部分的に形成された、前記キャ
リア供給層より電子親和力の小さいゲートバリア層と、 前記ゲートバリア層上に形成された反対導電型の閾値制
御層と、 前記閾値制御層上に形成されたゲート電極と、 前記ゲート電極の両側であって、前記閾値制御層の端部
から間隔をおいて前記キャリア供給層上に形成されたソ
ース/ドレイン電極とを有することを特徴とする半導体
装置。
3. A channel layer on a semi-insulating substrate, a carrier supply layer of one conductivity type formed on the channel layer and having a smaller electron affinity than the channel layer, and partially on the carrier supply layer. A formed gate barrier layer having a smaller electron affinity than the carrier supply layer, an opposite conductivity type threshold control layer formed on the gate barrier layer, a gate electrode formed on the threshold control layer, A semiconductor device, comprising: source / drain electrodes formed on the carrier supply layer on both sides of a gate electrode and spaced from an end of the threshold control layer.
【請求項4】 前記キャリア供給層の不純物濃度及び前
記閾値制御層の不純物濃度のうち少なくともいずれかに
より閾値電圧を制御することを特徴とする請求項1乃至
請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
4. The semiconductor according to claim 1, wherein a threshold voltage is controlled by at least one of an impurity concentration of the carrier supply layer and an impurity concentration of the threshold control layer. apparatus.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004273486A (en) * 2003-03-05 2004-09-30 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device and its manufacturing method
JP2005243727A (en) * 2004-02-24 2005-09-08 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device and its manufacturing method
JP2007520884A (en) * 2004-01-23 2007-07-26 インターナショナル・レクチファイヤー・コーポレーション Group III nitride current control device and manufacturing method
US7629632B2 (en) 2006-11-15 2009-12-08 Sharp Kabushiki Kaisha Insulated-gate field effect transistor

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